电气技术 | Electric Technology ProfiNet 以太网协议分析 深入分析 ProfiNet 实时以太网协议，提出了实时以 太网设备性能参数的评估和测试问题，搭建 ProfiNet 实 时以太网网络协议解析、测试和评估平台，逐条监听和抓 取 ProfiNet 报文进行细致的深入分析，采用 WireShark 分析以太网报文，并给出了网络实际性能测试结果。 郑 欢 陈 程 / 中冶京诚工程技术有限公司 随着工业自动化水平的提高和自动 化技术的快速发展，出现了越来越多的 网络通信技术，对网络通信性能的要求 也逐步增强。专用现场网络总线，最初 的设计目的是用于简化原有集成控制系 统，成为分布式控制系统，便于整体工 厂的一致，大大减少系统维护工作。随 着工业自动化的发展，现有的现场总线 技术已经不能满足日益增长的高速、多 节点的工厂自动化生产要求［ ］ 1 。 郑 欢 / 工程师 关键词 /Keywords ProfiNet· 协议· 以太网· 监听· 本文 详 细 分 析 了 ProfiNet 协 议 构 架、网络拓扑、网络组建和协议性能， 通过搭建 ProfiNet 实时以太网网络通信 平台模拟工厂自动化现场情况，采用西 门子 Scalance 交换机的独特的网络端口 镜像功能，实现了完整、详尽的实时以 太 网 报 文 抓 取、 保 存 和 统 计， 结 合 WireShark 网 络 报 文 统 计 和 分 析 工 具， 对 ProfiNet 网络协议进行了详细分析， 对 ProfiNet 网络性能进行研究和评估， 对 ProfiNet 产品性能以及网络配置、网 络周期通信、网络诊断和报警进行深入 的分析。 ProfiNet 报文结构 针对不同的网络性能需求，从以太 网报文结构上来说，西门子 ProfiNet RT 网络结构、通信协议及帧结构如图 1 ～ 图 3 所示。 34 ·冶金电气·2013 年第 32 卷第 4 期 西门子等时同步通道 ProfiNet IRT 网络 通信协议的数据报文帧结构如图 4 和图 5 所示。 从图 2 ～ 图 5 可以看出，西门子 Profi- Net 实时 以 太 网 数 据 帧 ( 包 括 RT 和 IRT 帧) 都是在通用国际标准 IEEE802. 3 所定 义的标准以太网帧格式基础上略作改动， 

ProfiNet 以太网协议分析 Electric Technology | 电气技术 ，扩充了网络 使得协议中的 L / T 字段值大于 1 500 数据吞吐能力，而该参数在原有标准中是一个保 留的 EtherTypeⅡ可以用于唯一地识别 ProfiNet 协 议的实时数据帧，用以区别于其他采用标准 IT 协 议的以太网帧，使得网络中的各类传输设备对该 协议报文优先进行传输。在西门子 ProfiNet 以太网 类型 标 识 中 采 用 0x0800 来 标 识 IP 帧， 使 用 0x8892 来标识 ProfiNet 实时帧。ProfiNet 协议帧中 的应用标识符 ( ) 域标识所接收的数据 的传输类型，即标识周期数据传输和非周期数据 传输 ( 报警和事件) Frame-ID 。 根据 PROFIBUS 国际组织提供的官方统计数 据和各类网络实测性能，西门子 ProfiNet 在 IRT 通 信方式下应用在同步运动控制场合，其性能可以 比目前的现场总线方案提高 100 倍。这种基于硬 件协议芯片的等 时 同 步 ( ) 通 信 解 决 方 案 能够 在 大 量 数 据 需 要 传 递 的 情 况下 保 持 足 够 高 的时 间 确 定 性 、 数 据 快 速 性 和网 络 稳 定 性 。 同 时， 由 于 采 用 协 处 理 器 模 式 可 缓 解 ProfiNet 设 备上主处理器的通信任务压力，使得整个系统更 加稳定和强健。 IRT ProfiNet 网络组成 不同于 Profibus-DP 网络的配置， ProfiNet 网络 提出了基于 XML 配置文件的方式，并且为每一个 网络节点配置一个唯一的名称，用来区分和整合 工厂级以太网庞大的网络节点。 本文给出了一个简单的网络配置，用以说明 ProfiNet 网络协议的核心技术，以及如何捕获和解 析 ProfiNet 网络数据。网络节点数量不影响本文介 绍的方法，故特此说明。 1. 配置系统 采用 CPU416—2DP 和 CP443—1 为系统核心， 创建 ProfiNet 实 时 以 太 网， 足 够 的 配 置 保 证 了 ProfiNet 主站发挥更好的性能，系统的硬件配置如 图 6 所示。采用 IM153—4PN 从站模块，采集现场 数字量和模拟量信号。 标准以太网数据传输过程中，都是一个网卡 的 MAC 地址来区分各个设备的， ProfiNet 网络也 采用该方法。网卡 MAC 地址类似于 Profibus-DP 中 图 6 ProfiNet 测试工程硬件配置 的站地址，全球内网卡的唯一标识。长度为 6 字 节的 MAC 地址冗长而繁琐，不易于记忆和传播， 因此 Siemens 为每个节点取一个名称，并且保证同 一网络中名称 是 唯 一 的。将 名 称 和 MAC 地 址 绑 定，如图 7 所示。 图 7 设置 ProfiNet 节点名称 针对网络节点数量的不同， ProfiNet 网络的数 据吞吐量也有所不同，特别是网络结构不同，数 据路由方式也不同。如果 ProfiNet 网络只包含 RT 节点，并且不包含 IRT 节点，那么 ProfiNet 网络只 需要配置扫描时间， ProfiNet IO 的数据通信量所占 ，不需要为 IRT 预留数据通道带 百分比为 100% 宽，如图 8 和图 9 所示。在程序中的 OB82 来对 ProfiNet 网络进行诊断和监控。 www. eage. com. cn 2013 年 2 月下·冶金电气· 35 

电气技术 | Electric Technology 站进行通信，监听计算机通过交换机接入该网络， 具体网络配置如图 10 所示。 图 10 ProfiNet 网络监听结构 采用不同的硬件设备连接方式所测试的数据， 可采集和分析实时以太网设备的不同处理性能和 网络性能参数。本文采用上述网络拓扑结构和连 接方式，分析过程数据报文、网络配置报文、网 络故障报文、网络数据循环周期和系统时间抖动 等信息。 ProfiNet 报文监听 标准以太网数据报文，在数据传递过程中最 常遇到的是交换机。交换机接收来自各个端口的 数据，以最优的传输路径、最快的转发数据到目 的端口。这样就避免了数据碰撞，使得每个端口 都拥有最大的传输速率，这也是交换机优于集线 器的主要方面。 正是由于交换机的这个特性，使得 ProfiNet 主 站的数据通过 1 号端口直接流向 4 号端口，到达 ProfiNet 从站。对于交换机的其他端口来说，该数 据流是不可见的，因此也是不能被监听到的。正 是由于这个原因，本文引入了高级 Scalance 交换 机，利用其特有的端口映射功能，改变网络的数 据走向。 1. 端口映射 Scalanec X414—3 是 一 款 多 端 口 的 高 级 交 换 机，具备多种网络管理功能，并提供强大的数据 路由功能。该交换机可以通过默认的 Web 网页方 式进行管理，也可以通过 Telnet 方式进行高级管 理。端口映射功能作为高级功能，只有在 Telnet 2. 网络组成 实时以太网的结构决定了网络监听的复杂性， 多级交换机的数据转发更加使得数据传递路由扑 朔迷离。如何捕获以太网络上的所有数据包，成 为网络数据监听的重要任务。 本文采 用 一 台 工 程 师 站 来 配 置 和 维 护 系 统， ProfiNet 主站通过 Scalance 交换机与 ProfiNetIO 从 36 ·冶金电气·2013 年第 32 卷第 4 期 

ProfiNet 以太网协议分析 Electric Technology | 电气技术 方式的根权限下才可以打开，如图 11 所示。 图 12 WireShark 报文过滤设置 机 1 号端口，发送到 4 号端口，传送至 ProfiNet 从 站，同时交换机将数据报文复制后发送到 3 号端 口，从而完成报文数据的抓取打包过程。 ( ) 信息内容的过滤 2 以太网报文由物理接口传送至 WireShark 软件 的以太网驱动，将报文和状态信息、时间戳、长 度和报文错误等信息一同保存在计算机的 RAM 区 中，根据不同实时以太网协议报文格式进行打包， 并计算过滤条件，抛弃无效数据。 ( ) 信息的保存与显示 3 WireShark 将过滤后的数据报文存储至用户定 义的目录下，并根据设置的报文显示过滤条件进 行过滤，将满足条件的报文显示出来。采用此类 过滤方式，网络监控者可以非常方便、快捷地对 各类独立的网络报文进行具体的、区分处理和分 析，例如网络配置报文过程分析、网络故障报文 的分析、各类网络协议数据循环周期、全体网络 设备网络延时和系统突发性时间抖动等。 ProfiNet 性能分析 捕获 ProfiNet 网络数据包不是最终目的，目的 是对数据包进行分析，用来提升系统性能，定位 网络故障和改善网络环境，这也是本节进行讨论 的重点。 1. 报文解读 在试验和测试过程中，针对 ProfiNet 协议网络 报文进行了短时数据监听，成功将 ProfiNet 网络建 立过程、握手通信协议过程、周期通信过程和故 障处理过程记录下来，抓取完整的 ProfiNet 协议报 ，利用 WireShark 软件分析周期通信 文共计 79KB 图 11 Scalance 端口映射 映射端口 1 的数据到端口 3 ，使得所有流入、 流出端口 1 的数据，均传输到端口 3 ，交由 Sniffer 计算机 处 理，这 样 从 数 据 流 的 角 度 就 可 以 进 行 ProfiNet 网络的数据监控和分析。 2. 报文过滤 WireShark 是一款以太网数据分析软件，是目 前全球最流行的以太网数据抓包工具，用于分析 和诊断以太网协议，可以抓取网络上的所有数据。 在抓取的所有以太网数据包中，既有 ProfiNet 网络数据，也有大量的无效的广播数据。在分析 以太网协议的时候，必须设置抓包过滤器，用来 抛弃无效数据，只抓取特定协议的、有效的数据 包。过滤器设置过程如图 12 所示。本文采用的过 滤条件为 ProfiNet 主站的 MAC 地址，用来捕获主 站发送和接收到的所有数据包。 3. 报文监听过程 实时以太网网络报文监听过程，主要有以下 三个步骤: 实时以太网网络报文数据的抓取，网 络无效信息内容的过滤，关键数据信息的保存和 网络数据应答过程的显示和回放。 ( ) 报文数据的抓取 1 西门子 ProfiNet 主站 PLC 将实时以太网 Profi- Net 协议报文由物理接口 PN 传送至 Scalance 交换 www. eage. com. cn 2013 年 2 月下·冶金电气· 37 

电气技术 | Electric Technology 过程 中 所 抓 取 的 ProfiNet 网 络 报 文 数 据 如 图 13 所示。 图 13 WireShark 抓取的报文信息 捕获的数据报文忠实地记录了每次通信报文 的数据内容， ProfiNet-RT 的每次应答均非常清晰 的显示出来。报文的记录是以监听计算机的时间 戳为准，并且可以任意指定参考时间。 以监听到的一个报文为例，进行 ProfiNet 数据 报文说明，如图 14 所示。 图 14 ProfiNet 数据报文实例 : : 40 在 2012 － 04 － 27 － 07 45 时 刻， 由 CP443—1 主站发送报文给 IM153—4PN 从站，其 中同步和分隔数据已经被隐藏。0x8892 标识该数 据报 文 采 用 的 协 议 是 ProfiNet 协 议， 4 μs 后， IM153—4PN 从 站 回 复 CP443—1 主 站 数 据 报 文， 之后为以 16ms 的网络周期进行实时数据通信。 2. 性能分析 采用 Wireshark 中的高级功能 IO Graphs ，对采 集到的实验室现场数据报文，进行综合的数据统 计和分析，如图 15 所示。 38 ·冶金电气·2013 年第 32 卷第 4 期 图 15 WireShark 抓取的报文分析 每种不同的数据报文都可以选择不同的显示 颜色，不同的线型进行区分，还可以通过设置独 立的过滤器来进行数据报文的二次编程和二次加 工。通过图 5 中的网络数据报文统计可发现无网 络故障报文信息，充分说明了 ProfiNet 网络通信数 据的准确性非常高，如果 网 络 上 包 含 现 场 设 备， 也可同时分析出外部 IO 信息。 结束语 针对西门子 ProfiNet 实时以太网，本文详细、 深入地剖析 ProfiNet 实时以太网网络拓扑结构、网 络协议组成结构和协议内容，利用已有的西门子 模块和系统搭建 ProfiNet 网络检测和评估系统平 台，对 ProfiNet 数据报文进行了完整而有效地抓 取，并得到了大量的数据记录和统计。采用高效 而免费的以太网报文分 析 软 件 WireShark 进 行 分 析，对已有大量的报文数据进行各类独立的分析 和统计，给出了 ProfiNet 实时以太网网络实际运行 的性能测试结果。为将来的 ProfiNet 实时以太网数 据监听、网络诊断和网络分析等提供了强有力的 铺垫，这 也 是 需 要 进 行技 术 深 入 研 究 的 方 向 和 课题。 参考文献 ［ ］ 李旭，陈在平． 基于 PROFINET 的实时通讯技术分 1 54-56． ［ ］ 彭 杰，应 启 戛． PROFINET 工 业 以 太 网 技 术 分 析 2 ］ 析 ［ ． 天津理工大学学报， J 2010 ， ) : 26 2 ( ］ ［ ． 南昌大学学报， J ， 2010 32 ( ) : 2 188-191． ［ ］ 胡国传，沈杰，等． 基于 PROFINET IO 的延时和抖 3 2 153-2 ］ 动研究 ［ ． 仪器仪表学报， J 2011 ， ) : 32 9 ( 160． ( 收稿日期: 2013-01-11 ) EA